Lösa utmaningar med analoga högspänningsleveranser med en bootstrap-metod

Det är en unik utmaning att leverera de hundratals analoga volt som automatiserad testutrustning eller precisionsstyrsystem ofta kräver. Konventionella operationsförstärkare kan inte leverera de höga utgående spänningssvängningarna medan diskreta förstärkaralternativ kräver en hög grad av justering och tar mer utrymme i anspråk på kretskorten.

Det finns dock ett annat alternativ: bootstrap-koppla kombinationen av en operationsförstärkare med högspänningsutmatning och ett par FET-enheter som kan stå emot höga överslagsspänningar.

Den här artikeln beskriver de problem som höga analoga spänningar utgör och vanliga sätt att lösa dem. Därefter visas hur du kan använda en bootstrap-metod med högspänningsprecisionsförstärkare från Analog Devices tillsammans med högspännings-MOSFET-enheter från Microchip Technology och Infineon Technologies.

Dessa används för att skapa en precisionslösning med hög prestanda som ger förstärkarens dubbla nominella signalområde samtidigt som det ger högre prestanda på minimal kortyta.

Designalternativ för höga analoga spänningar

Vissa tillämpningar kräver större svängningar i utgångsspänning än typiska monolitiska högspänningsoperationsförstärkare kan generera. En förstärkarkonstruktion med diskreta transistorer är ett sätt att uppnå stora spänningssvängningar. Den här designmetoden har flexibiliteten att kunna anpassa förstärkaren för den specifika tillämpningen. Dock använder diskreta transistorkonstruktioner fler delar och kräver mer tid och ansträngning för konstruktören. Det är också svårt att uppnå precision i diskreta konstruktioner på grund av enhetsmatchningen och temperaturgradienter.

Ett alternativ till den diskreta högspänningsförstärkaren är operationsförstärkarmodulen för högspänning. Dessa moduler förenklar konstruktörens arbete betydligt En högspänningsmodul är ofta en hybridmodul som tillåter drift med både hög spänning och hög effekt. Fördelen med dessa moduler jämfört med diskreta konstruktioner är att modulerna har fabriksspecificerad prestanda. Dessa specifikationer minskar konstruktörens karakteriseringsarbete. Hybridmoduler är kostsamma. Oftast kan monolitiska operationsförstärkare med hög spänning uppfylla de flesta prestandakraven i en konstruktion.

Vid tillfällen där de inte klarar detta, öppnar bootstrapping av den monolitiska operationsförstärkarens strömförsörjning en lista över tillgängliga operationsförstärkare från några få lösningar till hundratals genom att utöka den monolitiska förstärkarens strömförsörjning bortom specifikationen. Bootstrapping-strategier kräver mer arbete, men lösningen kostar betydligt mindre än högspänningsmodulerna. Detta beror till stor del på att det finns ett urval av monolitiska operationsförstärkare som har tillräcklig fabriksspecificerad prestanda. Observera att bootstrapping inte påverkar förstärkarens DC-specifikationer, som spänningsavvikelse, samt ingående och utgående spänningssvängningar.

Bootstrapping-tekniker för strömförsörjning

Bootstrapping-konfigurationen styr en enhets matningsspänningar i förhållande till dess utgångsspänning. Bootstrap-kretsen har ett par diskreta transistorer och ett resistivt biasnätverk (figur 1).

Figur 1: Ett förenklat bootstrapping-schema för högspänningsföljare med fast +V_S och -V_S systemmatningsspänningar. Enhetsmatningsspänningarna V_CC och V_EE ändras som en funktion av utgångsspänningen, V_OUT. (Bildkälla: Bonnie Baker, baserat på material från Analog Devices)

Många högspänningsförstärkare eliminerar behovet av en bootstrap-strömförsörjning. Till exempel är Analog Devices 10 megahertz (MHz) ADHV4702-1BCPZ som visas i figuren en strömförsörjning på ±110 volt som räcker för de flesta högspänningstillämpningar. Om systemet dock kräver ännu högra spänningar dubblerar bootstrap-metoden enkelt kretsens driftområde.

För att köra boostrap används Infineon Technologies IRFP4868PBF N-kanals MOSFET som Q₁. Den här enheten har en överslagsspänning på 300 volt och I_D max på 70 A. Q₂ är TP2435N8-G P-kanal-MOSFET från Microchip Technology. Den har en överslagsspänning på 350 volt.

I figur 1 har ADHV4702-1-precisionsförstärkaren en driftspänning på ±12 till ±110 volt. Med matningsspänning på ±110 V är det typiska uteffektområdet ±108,5 V. Med ±V_S motsvarande ±300 volt är den här bootstrap-kretsen grunden för en förstärkare som kan uppnå en utgående svängning på ±120 volt eller mer.

Det här bootstrap-konceptet justerar kontinuerligt förstärkarens matningsspänningar så att de är symmetriska runt förstärkarens utgångsspänning, V_OUT. Det innebär att utmatningen hålls inom matningsintervallet. I följar-bootstrap-kretsen håller de spänningsdelande motstånden (R_BOT och R_TOP) skillnaden mellan V_CC och V_EE konstant på ±90 volt medan förstärkarens effektområde är ±200 volt. En Spice-simulering illustrerar fenomenet med flytande matning (figur 2).

Figur 2: En Spice-simulering visar fenomenet med flytande matning där förstärkarens deltaströmförsörjningar (skillnaden mellan V_CC och V_EE) kvarstår på cirka ±90 volt, medan förstärkarens utgångsområde är ±200 volt. (Bildkälla: Bonnie Baker)

I figur 2 är V_OUT lika med V_IN, R_TOP lika med 45 kiloohm (kΩ) och R_BOT lika med 20 kΩ. R_TOP är motståndet närmast de externa strömförsörjningarna (+V_S och -V_S) och R_BOT är motståndet närmast operationsförstärkarens utgång (V_OUT). Observera att i figur 2 närmar sig V_CC- och V_EE-spänningarna +V_S (300 volt) och -V_S (-300 volt). Kretsdistorsion uppstår när utgångssignalen (V_OUT) tvingar V_CC och V_EE att bli lika med eller över +V_S eller -V_S.

Bootstrapping ger hög signalkapacitet för alla operationsförstärkare. Dock påverkar förstärkarens ändringshastighet den dynamiska prestandan för denna högspänningskonfiguration. I figur 1 begränsar operationsförstärkarens ändringshastighet förmågan hos V_CC och V_EE att svara på en dynamisk signal. Bootstrap-förstärkare passar bäst för lågfrekvens- och DC-tillämpningar där matningen går långsamt.

Implementering av bootstrap-design

Operationsförstärkarens strömförsörjnings bootstrap-design följer en trestegsprocess:

1. Bedöm kompromissen mellan förstärkaren och MOSFET-enhetens effektförlust
2. Bedöm den maximala förstärkarutgångssvängningen och tilldela förstärkarens matningsspänning
3. Tillgodose motståndets effektkrav

I figur 1 fördelas effektförlusten mellan operationsförstärkaren och MOSFET-enhetens drain-source. Förstärkaren och FET har en spänningsförstärkning inom ett specificerat driftområde. Det är lockande att driva förstärkaren med lägre spänningar, men det kan belasta MOSFET-enheten. Den totala effektförlusten fördelas mellan förstärkaren och MOSFET-enheterna.

Förhållandet mellan operationsförstärkarens maximala utgångssvängområde (±V_OUT-MAX) och operationsförstärkarens försörjningar (V_EE, V_CC) avgör motståndets spänningsfördelarnät, enligt ekvation 1.

Ekvation 1a

Om operationsförstärkarens nominella matningsspänning motsvarar ±100 volt och det maximala utgående svängområdet motsvarar ±150 volt är fördelarområdet därför lika med:

Ekvation 1b

Den här beräkningen ger ett praktiskt sätt att avgöra värdet hos motstånden i den här tillämpningen. När du väljer motstånd är det dock viktigt att tänka på att det är höga spänningar inblandade och motstånden kan behöva avleda betydande effekt. Välj motståndens värden så att de kan begränsa värmeutstrålningen för sina respektive märkvärden.

Till exempel når R_TOP 150 volt och R_BOT når 100 volt. Med motstånd med märkvärden på 0,5 watt beräknas gränsen för effektförlust (V²/R) med ekvation 2:

Ekvation 2a

Ekvation 2b

Med 45 kΩ-motståndet som begränsande faktor för effektförlust ger R_BOT-värdet en 2.5:1-delare med en spridningsgräns för viloström som beräknas enligt följande:

FET-val

Den primära faktorn för MOSFET-val är överslagsspänningen. Den här spänningen måste stå emot tuffast tänkbara biasförhållanden. Överslagsspänningen syns när utsignalen är mättad, viket sker när en MOSFET är vid maximal V_DS medan den andra MOSFET-enheten är vid minimal V_DS. Till exempel är den högsta absoluta V_DS ~300 volt, vilket är V_OUT-MAX (500 volt) minus förstärkarens totala matningsspänning (V_CC – V_EE = 200 volt). Därför måste motståndsspänningen för MOSFET-enheterna vara minst 300 volt. Dessutom måste beräkningen av effektförlusten göras för sämsta tänkbara förhållanden för både V_DS och driftström. Konstruktörerna måste se till att MOSFET-enheterna specificeras för att kunna arbeta på den här effektnivån.

Gatekapacitansen för MOSFET-enheten skapar ett lågpassfilter med biasmotstånden och MOSFET-enheter med högre överslagsspänning brukar ha högre gatekapacitanser. I den här kretsen brukar biasmotstånd ligga i området tiotals kΩ till hundratals kΩ. Med dessa höga värden krävs inte särskilt hög gatekapacitans för att sakta ner kretsen.

MOSFET-enhetens gatekapacitansvärde i databladet (C_GATE) och den parallella kombinationen R_TOP och R_BOT avgör polfrekvensen för ett lågpassfilter, enligt ekvation 3:

Ekvation 3

Försiktighetsåtgärder

Frekvenssvaret hos biasnätverket måste vara tio gånger snabbare än både in- och utsignalerna. Om biasnätverket saktar ner kretsen kan förstärkarens utdata utöka dess matning. Insignalen riskerar skador från tillfälliga avvikelser utanför förstärkarens spänningsskenor medan utsignalen riskerar förvrängning på grund av tillfällig mättnad eller förändringsbegränsning. Dessa förhållanden kan orsaka förlust av negativ feedback, oförutsägbart transientbeteende samt möjligen låstillstånd på grund av fasomkastning.

Prestanda

Förstärkaren i strömförsörjningens bootstrap-krets kan konfigureras för högre ej växelriktad förstärkning. Den här bootstrap-operationsförstärkarkonfigurationen fungerar likadant som alla andra operationsförstärkarbaserade förstärkningssteg. En ej växelriktad konfiguration måste användas. Med en DC-linjäritetsmätning dominerar förstärkarens egenskaper resultaten (figur 3). Förstärkaren konfigureras med en förstärkning på 20 med ett strömförsörjningsområde på ±140 volt.

Figur 3: Förstärkningsfel jämfört med ingångsspänning med en förstärkning på 20 och matningsspänning på ±140 volt. (Bildkälla: Analog Devices)

Operationsförstärkarens utsignal har en begränsad ändringshastighet, där dess försörjningar är en funktion av dess uteffekt. Vid operationsförstärkarens ingång kan en stegfunktion överskrida operationsförstärkarens driftområde (figur 4).

Figur 4: Ändringshastighet med förstärkning på 20 med ett strömförsörjningsområde på ±140 volt. Vid operationsförstärkarens ingång kan en stegfunktion överskrida operationsförstärkarens driftområde och orsaka ett låstillstånd. Detta kan undvikas genom att placera ett lågpassfilter på ingångsnoden. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 4 är den specificerade ändringshastigheten för ADHV4702-1 74 volt per mikrosekund (volt/ms). För att undvika låstillstånd måste konstruktörerna använda ett lågpassfilter på signalens ingångsnod (V_IN). Den här ändringsbegränsningskretsen minskar transienter till lika med eller lägre än operationsförstärkarens ändringshastighet, beräknad med ekvation 4:

Ekvation 4

Där V_STEP är signalkällans maximala stegstorlek och SR är operationsförstärkarens ändringshastighet.

Slutsats

Ett utmärkt sätt att driva höga analoga spänningar till låg kostnad och med minimalt kortutrymme är att bootstrap-koppla kombinationen av en operationsförstärkare med högspänningsutgång över hela intervallet och ett par transistorer som kan stå emot höga överslagsspänningar. ADHV4702-1 högspänningsprecisionsförstärkare från Analog Devices, plus högspännings-MOSFET-enheter från Infineon och Microchip kan användas för att skapa en precisionslösning med hög prestanda som ger förstärkarens dubbla nominella signalområde samtidigt som det ger högre prestanda.